新型插入式均速流量探头的原理与应用

      0 前言

      均速流量探头（又称均速管）是基于20世纪60年代皮托（Pitot）管测速原理发展起来的一种差压式流量计。这种流量计以其结构简单，安装维护方便，压力损失小，适用范围广等优点，获得了广泛的应用。近年来，由于节约能源和大管道流量测量等的迫切需求，促进了均速测量技术的迅速发展，出现了许多新产品，例如子弹头形、T形、双D形、德尔塔巴（Deltaflow）等均速流量探头。威尔巴（Wellbar）探头是子弹头均速流量探头的一种主要产品，在市场上最受欢迎，在电力、冶金、化工、供水、供气等部门广泛应用。特别是在火力发电厂的风量测量应用尤为突出。本文以此为例就其测量原理、数学模型、特点和应用作综合评述。

      1 测量原理

      在管道中插入一根威尔巴探头，如图2所示。当流体流过时，在探头前部（迎流方向）产生一个高压分布区，在其后部产生一个低压分布区。探头检测杆在高低压区内，有按一定规则布置的多对全压孔和静压孔（一般为三对），分别测量流体的平均全压力（包括平均速度压力和静压力）P₁和静压力P₂。将P₁和P₂引入差压变送器高压室（+）和低压室（-），测得差压ΔP=P₁- P₂，则ΔP反映了平均速度的大小。在流体的平均流速（流量）与差压平方根之间存在比例关系，从测得的差压可推算出流体流量，流量实用公式如下：

     

            （1）

      

       （2）

      式中：Q― 流体的体积流量，m³/h；
               M― 流体的质量流量，kg/h ；
               △P― 流体流过探头产生的差压，KPa；
               ρ― 流体工作密度，kg/m³；
               D― 工作温度下的圆管直径或方管的当量直径，mm；
               K― 流量系数；
               Y_v― 气体膨胀系数，对于液体Y_v=1；
               0.12645― 计量常数，采用的计量单位为m³/h、kg/h、mm、kg/m³、KPa等。

      从式（1）和式（2）可见：当D、ρ、K、Y_v为已知时，便可从测得差压ΔP值，求出流体流量Q或M值。

      威尔巴流量计的基本组成为威尔巴探头，差压变送器和流量积算仪，后者具有开方、乘除、加减等运算功能，显示瞬时流量，累计总量，温度和压力等参数。如果流体的温度压力变化较大，需要进行温压补偿时，在测量系统中应增加温度变送器和压力变送器。流量计也可与计算机联网。

      2 数学模型

      当威尔巴探头插入管道测量流体速度时（如图2），可写出伯努力方程式如下：

      

                （3）
      移项：

       

            （4）

      式中：ρ― 流体工作密度，kg/m³；
               △P― 差压，Pa；
               P₁、P₂― 全压孔与静压孔的压力，Pa；
               C₁― 摩擦阻力系数；
               V₁、V₂― 全压孔与静压孔所在截面的平均流速，m/s；
               C₂― 局部阻力系数。

      由于检测杆占据管道部分空间，减小了管道中的流体流通面积，故流速V₂将大于V₁。从连续性方程可得：

     

             （5）

      式中：a― 阻塞比

     

      将（5）代入（4）式得：

     

      

                            （6）

       

        （7）

      式（6）是威尔巴探头测量平均流速的理论公式，据此可导出实用公式（1）和（2）。

      式（7）是威尔巴探头的流量系数K的理论公式，影响式中a、C₁、C₂的主要因素有探头检测杆的形状和尺寸，管道直径，检测杆和管道的表面粗糙度，流体种类和流速等，流量系数K不能直接计算，需由实验求取。

      按照部颁标准JB/T5325-91《均速管流量传感器》的规定，威尔巴探头在空气（管径D≤600mm）或水（管径D≤500mm）流量标准装置上进行标定，求取流量系数等数据。对于大管道探头，尤其是Ф1000~2000~5000mm管道探头，由于缺乏大型的流量标准装置，威尔巴探头的流量系数，是在数学模型基础上，用外推法求得。实践证明，这种方法在解决大管道探头的流量系数问题上，乃是现实的成功的一个探索，在用户现场使用结果比较满意。

      3 主要特点

      威尔巴探头截面形状为子弹头，如图3所示。控头的设计与加工严格，品质优良。其主要特点如下：

      1. 科学的截面形状：子弹头形截面，符合流体动力学原理，流体通过时，所受的牵引力最小，且能使流体与探头的分离点固定，故探头产生的差压信号稳定，压力损失小。
      2. 高强度结构：采用整体的金属双腔（全压腔和静压腔）结构，不锈钢材质。强度高，不渗漏，可用于高压、高温和腐蚀性的介质。
      3. 探头表面进行粗糙处理：在探头端部迎流面，进行了粗糙处理，增加表面粗糙度，使流体在低速流动时，探头表面的边界层仍呈紊流状态，仍可获得稳定的差压信号，从而收到延伸探头量程下限的效果，有利于稳定和提高量程比。
      4. 防堵设计：探头的静压孔布置在子弹头后部两侧壁（两排静压孔），开孔位于流动流体与探头的分离点之前，避开了尾迹区负压的影响。流体中的灰尘、杂质不致聚集于静压孔，造成堵塞。保持静压测量畅通稳定。

      4 应用情况

      1. 适用范围

      介质：空气、煤气、天燃气、烟气、饱和蒸汽、过热蒸汽、自来水、锅炉给水、腐蚀性溶液等；
      管道：直径12.5~3000~5000mm圆管或方管（当量直径）；
      温度和压力：温度通常-80~450℃，特殊达550℃，压力通常25MPa，特殊40Mpa；
      流量范围：在允许最小差压内，选择测量上限和下限，量程比10∶1；
      测量精度：±1%，重现性±0.1%

      2. 应用优势

      威尔巴流量探头与流量孔板相比较，孔板能使用的一般场合，探头也基本上可以选用。探头还具有如下的优势：

      （1）节约能源：孔板的压力损失大，约为差压的50~60%，探头的压力损失小，约为差压的5~10%。并且探头产生的差压值比孔板产生的差压值要小一个数量级，因此，探头的压力损失相对于孔板而言是微小的。举例说明如下：

      假设一个过热蒸汽测点，管径Ф159×4.5mm，压力2.5MPa，温度400℃，工作密度8.67829k/m³，温度22t/h，使用威尔巴探头测量，产生的差压计算得ΔP=12.78KPa。

      威尔巴探头的压力损失（按差压的5%计算）为：

      δP=0.05x×12.78=0.639KPa

      蒸汽的体积流量为：

     

      探头损失的功率折算为（假定电动机效率为0.8）：

      W=0.7041×0.639÷0.8=0.5623KW 。

      假如一年运行365天，每天运行24小时，则探头一年耗电为H=365×24×0.5623=4925度/年。

      假如电费每度0.7元，则探头一年的电费为：Y=4925×0.7=3448元/年。

      现将上述测点改用环室取压标准孔板测量，选孔板的直径比β=0.7，产生的差压计算得ΔP=58.96KPa。压力损失（按差压的50%计算）δP=29.48KPa，功率损失折算为（假定电动机效率为0.8）W=25.946KW 每年耗电为H=227286.96度/年，每年运行电费为Y=159100元。上述计算结果为：每运行一年，威尔巴探头比孔板节约电能222361.96度，折合节约电费155652元，可见，威尔巴流量计是一种优良的节能型仪表，经济效益非常显著。

      （2）安装方便：孔板安装时必须切断管道，嵌入孔板和取压装置。威尔巴探头安装时只须在管道上开一个小孔（孔径25mm~40mm），将探头插入管道，固定即可使用，无须切断管道。探头装卸方便可省大量人力物力，尤其对大管道，经济效益显著。

      （3）长期精度高：威尔巴探头运行过程中，产生差压稳定，不受磨损和沾污的影响，可长期保持测量精度，基本免维护。孔板使用时间一长，由于其开孔入口边缘受流体冲涮磨损，以及杂质油脂等沾污，使测量误差增大，精度下降，需定期检测处理。

      （4）适用范围广：威尔巴探头可用于12.5mm~5000mm直径的管道，孔板通常适用50mm~1000mm直径的管道，这对于当代大型冶金、化工、电力等工业发展具有重要意义。

      3. 不足之处

      （1）威尔巴探头产生的差压较小，在低流速（例如气体小于5m/s）时，差压只有几Pa~十几Pa，不便于准确测量，限制了探头的使用。
      （2）大管道探头的流量系数的确定，采取数学模型外推法，是一种成功的探索，但影响流量系数的因素复杂，故仍需继续完善和提高。
      （3）防尘防堵问题，已采取防堵设计，但对含尘多和含湿高的流体，仍有可能发生堵塞，应定期吹洗。